JP6880820B2

JP6880820B2 - 切削工具

Info

Publication number: JP6880820B2
Application number: JP2017032687A
Authority: JP
Inventors: 友弥青木; 貫一角田; 良介片岡
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2017-02-23
Filing date: 2017-02-23
Publication date: 2021-06-02
Anticipated expiration: 2037-02-23
Also published as: JP2018134722A

Description

本発明は、高寿命化を図れるスローアウェイ式切削工具に関する。

鋳物や金属素材などの被削材を切削する切削加工は、精度が要求される機械部品等の製造には欠かせない。このような切削加工品の品質安定化と低コスト化を両立するために、切削工具の高寿命化が求められる。

工具寿命を短くする要因として、工具摩耗機構の一つである熱的摩耗がある。特に、難削材（例えば、Ｔｉ系材料、Ｎｉ系材料等）を切削加工するような場合、発生する切削熱により切削工具（チップ）が相当な高温となり、熱的摩耗が進行して工具寿命が短くなり易い（非特許文献１参照）。

通常、刃先（加工点）へ加工液（クーラント）を供給して、切削工具の熱的摩耗の抑制等が図られているが、それ以外の方法も提案されている。例えば、下記の特許文献１に、それに関連した記載がある。

特表２０１２−５２２６５９号公報（ＷＯ２０１１／５３４０）

難削材の切削加工概論，鳴瀧則彦，精密工学会誌 58(12),1949-1952,1992

特許文献１は、切削工具の刃先温度を低下させるために、切削工具とそのホルダー（シャンク）との間に熱交換器を設けて、切削工具を冷却することを提案している。特許文献１は、液体窒素などの冷却剤を使用して切削工具全体を冷却することを意図しており、冷却剤や供給設備等の費用が嵩むため、加工コストの低減は図れない。

本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、従来とは異なる手法により、長寿命化を図れる新たなスローアウェイ式切削工具を提供することを目的とする。

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、高温となる切れ刃（工具刃先）の近傍に、高熱伝導材を配置することを着想した。この着想を具現化すると共に発展させることによって、以降に述べる本発明を完成するに至った。

《スローアウェイ式切削工具》
（１）本発明のスローアウェイ式切削工具は、被削材を切削する切れ刃と該切れ刃から後方へ連なるすくい面と該すくい面の後縁から内部後方へ連なる傾斜面とを有する本体と、該すくい面よりも突出することなく該傾斜面に接して配設されると共に該本体よりも熱伝導率が高い高熱伝導体とを備える。

（２）本発明のスローアウェイ式切削工具（単に「切削工具」という。）によれば、切削加工時の工具刃先温度を低減でき、工具寿命の長期化による工具費用の抑制、ひいては切削品の製造（加工）コストの低減を図れる。

この理由は次のように推察される。切れ刃（「工具刃先」または単に「刃先」ともいう。）で切削された被削材から生じた切屑は、刃先から後方（切屑の流出方向）へ連なるすくい面（少なくとも刃先側領域）に接触しつつ流動する。この切屑は非常に高温であるため、すくい面の刃先近傍が特に相当な高温となる。

本発明の場合、その刃先近傍の後方に高熱伝導体が配設されている。高熱伝導体は、刃先、すくい面等を構成する本体よりも、熱伝導率の高い材質（「高熱伝導材」という。）からなる。このため高熱伝導体は、刃先近傍の本体の高熱を他の領域へ効率的に伝導させて放熱させることができる。この結果、刃先近傍における熱の滞留や蓄熱が回避され、刃先近傍の温度（特に刃先温度）を効果的に低減できる。

ちなみに、本発明に係る高熱伝導体は、本体のすくい面よりも突出していないため、切屑の流れを妨げず、高温な切屑とも殆ど直接的には接触しない。このため本発明の高熱伝導体は、高温な切屑からの入熱が少なく、本体の刃先近傍からの入熱を外部へ効率的に伝導して、刃先近傍を効率的に冷却し得る。

なお、上述した作用効果は、クーラントの供給の有無と関係がないため、本発明の切削工具は、ウエット環境下で用いられても、ドライ環境下で用いられてもよい。

《加工方法》
本発明は、上述した切削工具としてのみならず、上述した切削工具を用いて被削材を切削することを特徴とする加工方法としても把握できる。本発明の加工方法は、種々の加工に有効であり、例えば、旋削加工のように、一つの切削工具と被削材または切屑と連続的に接触するような連続加工でも良いし、フライス加工のように、一つの切削工具と被削材または切屑が断続的に接触するような断続加工でも良い。なお、本発明は、上述した切削工具を用いて被削材を切削した切削品としても把握できる。

《その他》
（１）本明細書では、説明の便宜上、刃先近傍における切屑の流出方向（または刃先稜線に対して略直角方向）に沿って、上流側を「前」（前側、前方等）といい、下流側を「後」（後側、後方等）という。また、便宜上、すくい面から切削工具の内部に向かう方向（またはすくい面を境としてすくい角が増大する方向）を下方、その反対方向（またはすくい面を境としてすくい角が減少する方向）を上方ともいう。

（２）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。

本発明の一形態である切削加工により、被削材を切削加工する様子を示す模式図である。本体が略三角環状である切削工具を示す模式図である。本体が略三角状である切削工具を示す模式図である。本体がＣ字状である切削工具を示す模式図である。本体が略方環状である切削工具を示す模式図である。第１実施例でシミュレーションに供したチップモデルを示す模式図である。その各モデルに係る工具刃先温度を示す棒グラフである。第２実施例でシミュレーションに供したチップモデルを示す模式図である。その各モデルに係る工具刃先温度を示すグラフである。

本明細書で説明する内容は、切削工具のみならず、それを用いた加工方法（製造方法）にも該当し得る。上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一以上の構成要素を付加し得る。方法に関する構成要素は、物に関する構成要素ともなり得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。

《切削工具》
本発明の一形態である切削工具により、被削材を切削加工する様子を図１に示した。切削工具は、本体と高熱伝導体とを備え、両者が本体のすくい面後縁から下方へ連なる傾斜面で接している。本形態では、本体のすくい面と高熱伝導体の上面とが面一状になっている。なお、当然であるが、本発明の切削工具も従来の切削工具と同様に、すくい面の他に逃げ面を備え、外周側面、底面、ホルダーまたはシャンク等に固定される固定部（クランプ部）を備える。

本発明の切削工具はスローアウェイ式であり、例えば、図２Ａ〜図２Ｄに示すようなチップからなる。図２Ａ〜図２Ｃは略三角状のチップであり、図２Ｄは略方形状のチップである。図２Ａと図２Ｄは本体が連続した環状となっている場合であり、図２Ｂは本体が三角形の一つの頂点側（先端側）に設けられた略半円状となっている場合であり、図２Ｃは本体がその先端側に設けられた略Ｃ字状となっている場合である。図４Ｄには、環状の本体と円盤状の高熱伝導体とからなり、クーラントが流通できる穴（空隙）を四隅部分に有するチップを例示したが、このような穴はなくてもよい。なお、各図には、それぞれ刃先稜線に垂直な切断面から観た要部形状も併せて示した。

《本体と高熱伝導体》
（１）材質
本体は、被削材に応じて、その切削加工に適した強度、剛性、耐熱性等を有する材質（工具材）からなる。例えば、超硬合金、高速度鋼、サーメット、セラミックス、ＣＢＮ（Cubic boron nitride／立方晶窒化ホウ素）、ダイヤモンド等からなる。

高熱伝導体の材質（高熱伝導材）は、本体に応じて適切に選択されると好ましい。特に、高熱伝導体も高温となることから、高熱伝導材は、工具材よりも熱伝導率が高いのみならず、融点や高温強度等に優れるものが好ましい。例えば、銅または銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銀または銀合金、炭素繊維複合材料等が好ましい。

高熱伝導材は、本体の熱伝導率（Ｋｔ）に対する高熱伝導体の熱伝導率（Ｋｈ）の比である熱伝導比（Ｋｈ／Ｋｔ）が４〜２０、５〜１５さらには６〜１０となるように選択されると好ましい。高熱伝導材を適切に選択することにより、高熱伝導体を設けない場合よりも刃先温度を、例えば、５０〜２００℃程度低減できる。

（２）体積
本体の刃先近傍の熱を高熱伝導体へ効率的に誘導し、高熱伝導体を介して外部へ放出させるために、高熱伝導体は所定値以上の体積や熱容量を有すると好ましい。例えば、本体の体積（Ｖｔ）と高熱伝導体の体積（Ｖｈ）との合計に対する高熱伝導体の体積の割合である体積率（Ｖｈ／Ｖｔ＋Ｖｈ）は、４０〜８０％、４５〜７０％さらには５０〜６０％であると好ましい。なお、体積率の上限値は高いほど好ましいが、切削工具（特に本体）の機能確保等のため、自ずと制限され得る。

（３）補足
高熱伝導体は、材質または形状が異なる複数部分（部材）からなってもよい。また、高熱伝導体の熱伝導率は、刃先側から変化してもよい。この場合、刃先側ほど熱伝導率を高くすると好ましい。

本体と高熱伝導体は、両者が接触する傾斜面で接着されていると、切削工具の取扱いが容易となり好ましい。接着剤には熱伝導率や熱伝達率に優れるものを選択するとよい。

切削工具は、高熱伝導体の後方側等に穴（トンネル）や溝等を有してもよい。穴や溝等を利用して切屑を外部へ誘導したり、クーラントを刃先側へ誘導したりできる。

切れ刃（工具刃先）は、直線状でも、曲線状（連続した環状を含む。）でもよい。本体と高熱伝導体が接する傾斜面も、平面、曲面、または波面等でもよい。

高熱伝導体は、少なくとも、本体の刃先近傍（特に刃先の後方にあるすくい面付近）にあればよく、必ずしも、本体のすくい面から底面まで存在している必要はない。また、高熱伝導体は、表面に微細な凹凸模様等が設けられて、その表面積が増大していると好ましい。これにより加工雰囲気に暴露される表面積が増大し、高熱伝導体からの放熱性が高まる。

切削工具のシャンクやホルダーへの取付けは、本体および高熱伝導体とは別に設けた固定部でなされてもよいし、高熱伝導体が固定部を兼ね備えてもよい。後者の場合、高温の切屑からの受熱は、本体の刃先近傍から高熱伝導体を通じてシャンクやホルダー等へ効率的に放熱され、また切削工具の簡素化を図れる。なお、切削工具の固定（クランプ）は、切削工具の上面または溝を押さえたり、切削工具に設けた穴にネジまたはピンを挿入等することにより行える。

切削工具自体が回転する場合、刃先稜線に垂直な面内で回転軸方向や径方向へ延在する高熱伝導体を、少なくとも一部（一箇所）に設けると好ましい。これにより、旋削加工のように切削工具自体が固定されている場合に限らず、切削工具自体が回転する場合でも刃先温度の低減を図れる。

本発明の切削工具は、クーラントが供給されるウエット環境下で使用されても、クーラントが供給されないドライ環境下で使用されてもよい。なお、本明細書でいうクーラント（冷却媒体）は、液体に限らず、エアーや特定ガス（不活性ガス等）などの気体でもよい。クーラントは、切削油（加工油）を兼ねると好ましく、また、水溶性であると取扱や後処理が容易となり好ましい。

一辺に直線状の切れ刃が設けられたスローアウェイ式切削工具（単に「チップ」ともいう。）で二次元切削加工を行う場合を想定して、以下のような解析と実験を行った。この結果に基づいて本発明をより具体的に説明する。

［第１実施例］
（１）モデル
高熱伝導体の有無等による刃先温度の影響を評価するため、図３Ａに示す３種類のチップモデルを作成し、それぞれＦＥＭ解析によって刃先中央の温度（単に「刃先温度」という。）をシミュレーションした。

試料１は、平らなすくい面とそのすくい面の後縁から４５°下方へ向かう平面状の傾斜面とを有する工具材からなる本体と、その傾斜面に密接している高熱伝導体とを有する略正三角形状のチップである。試料Ｃ１は、高熱伝導体を設けずに全体を工具材（本体）としたチップであり、概形は試料１と同じとした。試料Ｃ２は、試料１の本体部分のみとした仮想的なチップである。なお、いずれの場合も、すくい面の先端（刃先稜線）からすくい面の後端（傾斜面の前端縁）までの距離（すくい面長さ）は０．１ｍｍとした。

（２）解析
各試料の刃先温度のシミュレーションには、解析ソフト（Abaqus 6.12／Dassault Systemes製）を用いた。この際、二次元切削を想定して、切屑とすくい面の接触領域は刃先中央の２ｍｍ×０．１ｍｍの範囲とし、この接触領域を加工時の切屑からの入熱範囲と仮定した。

シミュレーションに用いた解析パラメータは次の通りとした。
切屑温度Ｔｃ：１０００［℃］
切屑とすくい面間の熱伝達率Ｈｃ：３０００００［Ｗ／（Ｋ・ｍ^２）］
本体の熱伝導率Ｋｔ：４２［Ｗ／（Ｋ・ｍ）］
本体の比熱Ｃｔ：３００［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］
本体の密度 ρｔ：１１７００［ｋｇ／ｍ^３］
高熱伝導体の熱伝導率Ｋｈ：３８６［Ｗ／（Ｋ・ｍ）］
高熱伝導体の比熱Ｃｈ：３８５［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］
高熱伝導体の密度 ρｈ：８９６０［ｋｇ／ｍ^３］
雰囲気の熱伝達率（ウエット）Ｈｗ：１００００［Ｗ／（Ｋ・ｍ^２）］
（ドライ）Ｈｄ：１３［Ｗ／（Ｋ・ｍ^２）］
雰囲気の温度Ｔ_０：２６［℃］

シミュレーションは、クーラントを供給しつつ切削加工を行う場合（ウエット環境下）と、クーラントを供給せずに切削加工を行う場合（ドライ環境下）との両方について行った。なお、本体と高熱伝導体との間の熱抵抗はゼロとした。

（３）評価
各試料に係る解析結果を図３Ｂにまとめて示した。先ず、試料Ｃ１と試料Ｃ２の比較から、本体部分の体積減少により、刃先温度は５０〜１００℃上昇することがわかった。この傾向は、ドライ環境でもウエット環境下でも同様であった。

次に、その刃先温度が上昇した試料Ｃ２の本体に高熱伝導体を密着させた試料１は、試料Ｃ２に対して２００〜３００℃、試料Ｃ１に対しても１５０〜２００℃程度、刃先温度が低下することがわかった。この傾向も、ドライ環境でもウエット環境下でも同様であった。

従って、本体を構成している工具材の一部を高熱伝導材で置換することにより、刃先温度が大幅に低減し得ることがわかった。なお、試料１に係る熱伝導比（Ｋｈ／Ｋｔ）は、３８６／４２≒９．２であった。

［第２実施例］
（１）モデル
高熱伝導体の形態による刃先温度の影響を評価するため、図４Ａに示す３種類のチップモデルを作成し、それぞれＦＥＭ解析によって刃先中央の温度（単に「刃先温度」という。）をシミュレーションした。なお、図４Ａは、刃先稜線に垂直な面における断面形状を示した。その他の概形は、第１実施例の試料１（図３Ａ参照）に示したチップモデルと基本的に同じとした。

試料１１は、本体の傾斜面（傾斜角θｔ＝４５°）に密接している高熱伝導体の上面が、すくい面と面一状態となっている（先端角θｈ＝４５°となっている）略正三角形状のチップモデルであり、実質的に試料１と同じである。試料１２は、高熱伝導体の上面が本体のすくい面から１５°下方へ傾斜している（先端角θｈ＝３０°となっている）略正三角形状のチップモデルである。試料１３は、高熱伝導体の上面が本体のすくい面から３０°下方へ傾斜している（先端角θｈ＝１５°となっている）略正三角形状のチップモデルである。従って、試料１２および試料１３は、高熱伝導体の中央部分がすり鉢状に窪んだ形態となる。

（２）解析
各試料の刃先温度を第１実施例の場合と同様にシミュレーションした。但し、高熱伝導体の熱伝導率（Ｋｈ）は、４２、８４、１２６、２５２または３８６［Ｗ／（Ｋ・ｍ）］のいずれかとして変化させた。加工雰囲気はクーラントが供給されている環境下を想定して、雰囲気の熱伝達率（ウエット）Ｈｗ：１００００［Ｗ／（Ｋ・ｍ^２）］とした。

（３）評価
各試料に係る解析結果を図４Ｂにまとめて示した。先ず、高熱伝導体の熱伝導率（Ｋｈ）が大きくなるほど、いずれの試料でも刃先温度がより低下することがわかった。特に、高熱伝導体の熱伝導率を１２６［Ｗ／（Ｋ・ｍ）］（熱伝導比３付近）より大きくすることにより、刃先温度を大きく低下させ得ることがわかった。

次に、試料１３よりも、試料１１および試料１２の方が、刃先温度が大きく低下した。この傾向は、上述したように、熱伝導比が３超さらには３．５以上となる範囲で顕著であった。例えば、刃先温度を切屑温度に対して１０％以上低減させる場合を想定する。本実施例では切屑温度（Ｔｃ）を１０００［℃］としているので、刃先温度を１００℃以上低減させる必要がある。試料１１、試料１２の場合なら、熱伝導比を５．５倍以上さらには６倍以上とすることにより、刃先温度をほぼ１００℃以上低減させることができる。

ところで、いずれの場合でも（モデル形態や熱伝導率が変化しても）、既述した刃先温度に対して、さらにその１０％以下まで温度が低下している位置（領域）は、刃先（稜線）からｘ方向およびｙ方向（図４Ａ参照）にそれぞれ２ｍｍ後退した位置（領域）であった。

このような領域（ｘ＝０〜２ｍｍ、ｙ＝０〜２ｍｍ／刃先：原点）における高熱伝導体の全体積（本体の体積：Ｖｔ＋高熱伝導体の体積：Ｖｈ）に占める割合（Ｖｈ／Ｖｔ＋Ｖｈ）を求めると、試料１１：５０％、試料１２：４２．３％、試料１３：２９．７％となる。但し、刃先稜線に垂直な断面形状は、ｚ方向（刃先中央の２ｍｍ）に関して一定とした。

上述したように試料１１と試料１２の場合、刃先温度の低減効果が大きいことから、高熱伝導体の体積率は３５％以上さらには４０％以上であると好ましいといえる。なお、体積率の上限値は、本実施例では５０％となるが、本体の傾斜角（θｔ）を小さくすると高熱伝導体の体積率をさらに上昇させることができる。これにより刃先温度をより低下させ得る。

視点を変えると、高熱伝導体の上面と本体のすくい面の角度差（Δθ＝９０°−θｔ−θｈ）が、２５°以下さらには２０°以下であると好ましいともいえる。なお、その角度差の下限値は０°（試料１１参照）とするとよい。高熱伝導体の上面が本体のすくい面よりも突出していてもよいが、その突出部分は流動する切屑によって摺り切られて、加工後に試料１１のような形態に落ち着くからである。

Claims

被削材を切削する切れ刃と該切れ刃から後方へ連なるすくい面と該すくい面の後縁から内部後方へ連なる傾斜面とを有する本体と、
該すくい面よりも突出することなく該傾斜面に接して配設されると共に該本体よりも熱伝導率が高い高熱伝導体とを備え、
該本体の熱伝導率（Ｋｔ）に対する該高熱伝導体の熱伝導率（Ｋｈ）の比である熱伝導比（Ｋｈ／Ｋｔ）は４〜２０であり、
該切れ刃の刃先（原点）から該刃先に垂直な断面域（２ｍｍ×２ｍｍ）において、該本体の体積（Ｖｔ）と該高熱伝導体の体積（Ｖｈ）との合計に対する該高熱伝導体の体積の割合である体積率（Ｖｈ／Ｖｔ＋Ｖｈ）が４０〜８０％であるスローアウェイ式切削工具。
前記本体と前記高熱伝導体は、前記傾斜面で接着されている請求項１に記載のスローアウェイ式切削工具。
前記高熱伝導体の上面は、前記本体のすくい面に対して、面一状態から１５°下方傾斜した状態までの範囲内にある請求項１または２に記載のスローアウェイ式切削工具。
前記高熱伝導体は、すり鉢状に窪んでいる中央部を有する請求項１〜３のいずれかに記載のスローアウェイ式切削工具。